钒氧化物纳米材料的制备和性能

论文摘要

本文旨在研究以真空热蒸发法制备具有不同光电特性的氧化钒薄膜,实验中以纯金属钒片为原料、采用真空蒸发法制备VOx薄膜,并对制备的薄膜进行了一系列不同条件的热处理。在所制备纳米结构的基础上,采用现代测试手段对低维钒氧化物纳米材料的合成、结构和性能进行了深入研究,探讨了组织、结构和性能的相关性,分析了结构形成和性能优化的机理和规律,并且通过各种实验和计算的方式来从机理上进一步解释了这些关系。主要的研究内容和成果如下:(1)体心立方结构二氧化钒新相的发现:通过真空热蒸发的方式在硅片上制备了准直阵列排布的氧化钒(准)纳米棒,经过细致的选区电子衍射分析,我们证明了这些纳米棒的结构为体心立方结构,在结合RBS,XPS以及EELS等实验方法的基础上,我们分析了这些纳米棒的化学组成,并测试了纳米棒薄膜的场发射和光催化等性质。(2)五氧化二钒纳米棒的制备:将220 oC真空热蒸发的三氧化二钒薄膜在空气中进行退火,在500 oC得到了五氧化二钒的纳米棒,对五氧化二钒纳米棒的性能测试可以发现,纳米棒有很强的光致发光现象;同时观察到纳米棒稳定的氧气的敏感性,可以用来作为探测氧气浓度的传感器。(3)五氧化二钒薄膜光学性能的增强:将180 oC真空热蒸发的三氧化二钒薄膜在空气中进行退火,发现通过改变热处理工艺可以改变薄膜中的缺陷浓度,从而进一步控制氧化钒薄膜的光学性能。对于五氧化二钒光学性能的分析我们分别在室温、低温和变温条件下进行了研究,揭示了缺陷工程中通过改变氧缺陷的浓度来调控薄膜的光学性能的作用。(4)强磁场下氧化钒纳米材料的生长和性能变化:磁场下对于薄膜的热处理过程进行了磁场影响的研究,研究结果发现,在磁场的作用下,样品的生长和光致发光性能都受到了影响。实验中我们发现,受磁场的影响越大时,纳米棒的生长越不容易,同时,热处理之后样品的光致发光强度也越低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料
• 1.2.1 纳米材料概述
• 1.2.2 纳米材料的特性
• 1.2.3 一维纳米材料的制备
• 1.2.4 薄膜的制备及特点
• 1.3 钒氧化物
• 1.3.1 钒氧化物结构特征与物理性质
• 1.3.2 钒氧化物的应用
• 1.3.3 低维钒氧化物纳米材料研究进展
• 1.4 本文研究内容及其意义
• 第2章 实验方法和实验过程
• 2.1 实验内容
• 2.2 实验仪器及试剂
• 2.3 实验过程
• 2.3.1 基片的清洗方法
• 2.3.2 薄膜制备
• 2.3.3 退火
• 2.3.4 显微分析
• 2.3.5 物相结构分析
• 2.3.6 性能测试
• 第3章 体心立方结构二氧化钒纳米材料的制备和性能
• 3.1 体心立方二氧化钒纳米材料的制备
• 3.2 体心立方二氧化钒薄膜的形貌
• 3.2.1 SEM 观察结果
• 3.2.2 TEM 分析结果
• 3.3 体心立方二氧化钒薄膜的成分和结构分析
• 3.3.1 卢瑟福背散射实验
• 3.3.2 X 射线光电子能谱实验
• 3.3.3 X 射线衍射
• 3.3.4 TEM 实验
• 3.3.5 紫外线光电子能谱实验
• 3.4 体心立方二氧化钒薄膜的性能测试
• 3.4.1 热稳定性测试
• 3.4.2 力学性能测试
• 3.4.3 场发射性能测试
• 3.4.4 变温电阻性能测试
• 3.4.5 光催化性能测试
• 3.5 本章小结
• 第4章 五氧化二钒纳米棒的制备及性能测试
• 4.1 五氧化二钒纳米棒的制备
• 4.1.1 五氧化二钒纳米棒的形貌演化过程
• 4.1.2 五氧化二钒纳米棒的结构演化过程
• 4.2 真空热处理样品的形貌和结构演化过程
• 4.3 五氧化二钒纳米棒的氢气热处理
• 4.4 五氧化二钒纳米棒的性能
• 4.4.1 五氧化二钒纳米棒的热稳定性测试
• 4.4.2 五氧化二钒纳米棒的光致发光性能测试
• 4.4.3 五氧化二钒纳米棒的气敏性能
• 4.5 本章小结
• 第5章 五氧化二钒薄膜的光学性能
• 5.1 五氧化二钒薄膜的制备
• 5.1.1 五氧化二钒薄膜的形貌演化
• 5.1.2 五氧化二钒薄膜的结构演化
• 5.2 五氧化二钒薄膜的光致发光性能
• 5.2.1 常温光致发光性能
• 5.2.2 低温和变温光致发光性能测试
• 5.3 五氧化二钒薄膜的光敏性能研究
• 5.3.1 五氧化二钒薄膜的光吸收性能测试
• 5.3.2 五氧化二钒薄膜的光敏性能测试
• 5.4 五氧化二钒薄膜的发光机理
• 5.4.1 相关电学性能测试
• 5.4.2 正电子湮灭实验
• 5.4.3 第一性原理计算
• 5.4.4 光致发光性能的机理解释
• 5.4.5 光敏性能的机理解释
• 5.5 本章小结
• 第6章 强磁场对氧化钒结构和性能的影响
• 6.1 强磁场下五氧化二钒薄膜的制备
• 6.2 强磁场下五氧化二钒薄膜的形貌
• 6.2.1 0T
• 6.2.2 1T
• 6.2.3 5T
• 6.2.4 10T
• 6.2.5 小结
• 6.3 强磁场下五氧化二钒薄膜的性能影响
• 6.3.1 0T
• 6.3.2 1T
• 6.3.3 5T
• 6.3.4 10T
• 6.3.5 小结
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果